[发明专利]水解法制备磷酸铁的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种磷酸铁的生产工艺方法，具体地说是用于合成锂离子电池正极材料磷酸铁锂用途的磷酸铁的制备方法。

技术背景

磷酸铁(FePO₄·2H₂O)是制造锂离子电池正极材料磷酸铁锂的前驱体。降低成本、节能降耗是磷酸铁及磷酸铁锂普及应用于电动汽车、储能领域的关键。工业生产磷酸铁的主要原料为铁源(三价铁盐或二价铁盐经氧化得到的三价铁盐)、磷源(磷酸)和碱性物质(氢氧化钠或氨水)。其中的铁源(三价铁盐或二价铁源)，可以是分析纯级别的原料，如ZL200710059805中所述的硫酸铁、氯化铁或硝酸铁,也可以是用钛白粉副产物硫酸亚铁经净化后的硫酸亚铁溶液(阮恒，易均辉，龚福忠，用钛白粉副产硫酸亚铁制备纯磷酸铁及其表征，化工技术与开发，vol.41(6),2012,10-12)。由于硫酸亚铁来源广，目前商业化的磷酸铁生产中常用硫酸亚铁作为铁源的最初原料。硫酸亚铁与磷酸混合后，经氧化成为三价铁盐，再于70-95℃下用氢氧化钠中和至pH值大于2-2.5后，得到磷酸铁。反应体系的浓度一般较低，不超过1mol/L。因产物颗粒细小，表面吸附有母液硫酸钠或硫酸铵的成份，需要用90℃以上的热水洗涤，将杂质硫酸根降低到小于0.02％，一般需用与母液相同量的水洗涤2-3次。由此可知生产一吨磷酸铁约需14-24吨热水，而且，由于母液中含有约50-100g/L的硫酸钠，需对母液进行蒸发除盐处理，这样，还需蒸发约6-12吨的水，因此，需消耗大量的热能。再者，如果用氨水做为沉淀剂，洗水中含有一定量的氮元素，需进行脱氮处理才能排放，这会进行一步提高产品的成本。

发明内容

本发明的技术旨在解决上述已有技术能耗大、且或有氨氮污染的不足，不用氢氧化钠或氨水这类碱性物质调节pH值从而使磷酸根与三价铁发生沉淀，而是用稀释法并结合溶液的温度控制使三价铁与磷酸根结合而沉淀出初级磷酸铁沉淀(含有一定量铁的水解产物)，再将此初级磷酸铁中的杂质在磷酸溶液中转化成纯相的磷酸铁。本发明采用水解法沉淀出磷酸铁，因不用碱性沉淀剂从而实现非蒸发法工艺水的再生利用，提供一种节能型磷酸铁的生产工艺，它可得到颗粒细小、纯度高的产物，同时，大大降低能耗。

本发明采用的技术方案为:

一种水解法制备磷酸铁的工艺，包括以下步骤：

第一步，氧化：在氧化罐中，加入硫酸亚铁水溶液和磷酸，再在搅拌下加入氧化剂，10-20分钟内加完，然后加热至90-95℃，即得到含三价铁离子和磷酸根离子的溶液；

其中，摩尔比为磷酸：硫酸亚铁＝0.95-1.05：1，所用氧化剂为质量百分浓度10-30％的双氧水，H₂O₂摩尔量为硫酸亚铁摩尔量的0.6-0.8倍；硫酸亚铁溶液与磷酸混合的溶液中的铁元素的浓度为0.5-2.0摩尔/升；

第二步，水解：在水解罐中，加入去离子水，然后加热至90-95℃；在搅拌下将第一步所得的溶液全部加入此热水中，得到生成有磷酸铁沉淀的水解液；其中，水的体积为使水解液的铁元素浓度在0.03-0.10mol/L；

第三步，分离：将第二步得到的水解液立即趁热过滤，得到初级磷酸铁产品沉淀A和母液A；

第四步，转化：将第三步中得到的全部沉淀A加入到0.5mol/L的磷酸溶液中，磷酸溶液的体积为每摩尔第一步中的硫酸亚铁需要2L磷酸溶液，搅拌，升温至90-95℃，保温1小时，过滤，得沉淀B和母液B；

其中，母液B留用于下一批次的产品的第四步；滤饼用常温水打浆洗涤，洗涤2～3次后，100-120℃烘干，即得产品；

所述的水解法制备磷酸铁的工艺，还可以包括第五步，母液净化：向母液A中加入200-400g/L氢氧化钙乳液，加入的氢氧化钙的量为第一步中加的硫酸亚铁摩尔量的1.05-1.15倍，加热至80-90℃，保温0.5小时后，过滤，得滤渣C和滤液C；

其中，滤渣C为硫酸钙，作为工业固体废物处理；向滤液C中加入磷酸，加入磷酸的摩尔量为滤液C中钙离子摩尔量的0.7-0.75倍，再用10％氢氧化钠溶液调节体系的pH值在8.5-9.5；然后加热至80-90℃，形成磷酸钙沉淀，过滤，得滤液D和滤渣D；滤渣D作为工业固体废物处理；滤液D作为下个批次的第二步工艺用水；因滤液D中含有少量的钠离子，在其浓度低于0.2mol/L时，不影响其作为第二步的工艺用水。若钠离子累积过浓，可另行处理后排放。

所述的第一步中硫酸亚铁溶液为直接配得或是钛白粉副产硫酸亚铁经除杂后得到的溶液。